一種同軸雙元組合裝藥的爆轟波形及驅動性能

沈 飛，王 輝，羅一鳴

(西安近代化學研究所，陜西 西安 710065)

引 言

同軸內(nèi)外層雙元組合裝藥是一種工程中常見的裝藥方式，早期主要采用不敏感炸藥包覆高能炸藥以提高整體裝藥對各類危險刺激的不敏感性[1-2]。近年來，國內(nèi)外一些研究人員嘗試采用該結構調(diào)節(jié)裝藥的能量釋放特性[3]，并通過相關的戰(zhàn)斗部工程試驗進行了驗證。如Arthur Spencer等[4]、尹俊婷等[5]將高爆速炸藥包裹高爆熱炸藥的同軸雙元組合裝藥應用于殺爆戰(zhàn)斗部中，以兼顧破片速度和沖擊波超壓兩方面的性能；牛余雷等[6]研究了類似雙元組合裝藥在不同介質中的爆炸沖擊波超壓變化規(guī)律。但這些研究主要偏重于爆炸作用效果方面，而對于爆轟過程中內(nèi)外層裝藥的相互影響以及整體裝藥結構的能量輸出過程方面的研究還較少。

由于同軸雙元裝藥中的兩種炸藥一般存在一定的爆速差，從而使得內(nèi)外層裝藥間的爆轟波出現(xiàn)耦合現(xiàn)象，這可能會改變兩種炸藥固有的爆轟反應區(qū)寬度及能量釋放特性，尤其是對于非理想炸藥，還需要考慮鋁粉的反應速率是否會發(fā)生改變。Manfred Held[7]曾利用端面波形掃描法獲取了該類裝藥幾種典型結構的爆轟波形，發(fā)現(xiàn)這些波形整體上呈現(xiàn)明顯的聚心或散心特征，其中爆速低的炸藥會發(fā)生一定程度的超壓爆轟，但并未進一步分析其對作功能力的影響。周濤等[8]利用兩種爆速相差0.45mm/μs的DNTF基含鋁炸藥制備了兩種典型的同軸雙元組合裝藥，并采用圓筒試驗對比了兩種裝藥的驅動釋能過程，發(fā)現(xiàn)外層使用高爆速炸藥時，組合裝藥的驅動能力相對較強，尤其在加速階段后期，圓筒壁仍存在明顯的加速度；同時，還將該組合裝藥與單一裝藥的驅動能力進行了對比。但在實際戰(zhàn)斗部應用中，常采用高爆速炸藥與高爆熱炸藥相組合，兩種炸藥的爆速一般相差較大，文獻[8]中所用的兩種炸藥的爆速差偏小，可能難以反映出真實戰(zhàn)斗部組合裝藥的能量釋放規(guī)律。

鑒于此，本研究根據(jù)殺爆戰(zhàn)斗部組合裝藥的典型設計思路，采用DNTF基高爆速炸藥包裹高爆熱炸藥的組合方式制備了一種典型結構的同軸雙元組合裝藥，結合爆轟波形掃描試驗及圓筒試驗結果對其驅動能量釋放特性及產(chǎn)物壓力變化規(guī)律等進行了系統(tǒng)的研究，并與單一裝藥進行了對比，以期為該裝藥的優(yōu)化設計提供參考。

1 實 驗

1.1 樣 品

實驗樣品為同軸內(nèi)外層組合圓柱體，每節(jié)藥柱的尺寸均為Φ50mm×100mm，內(nèi)外層裝藥均采用熔鑄成型工藝制備，其中，外層裝藥采用高爆速炸藥DOL制備，配方(質量分數(shù))為：DNTF，30%；HMX，60%；Al，5%；黏結劑，5%。內(nèi)層裝藥(直徑為35mm)采用高爆熱炸藥DRLU制備，配方(質量分數(shù))為：DNAN，15%；RDX，35%；Al，30%；AP，20%。兩種炸藥的性能參數(shù)列于表1。內(nèi)外層裝藥的質量比約為1∶1，平均密度為1.86g/cm3。

表1 兩種炸藥的性能參數(shù)Table 1 Performance parameters of two kinds of explosives

注：ρ為密度；DCJ為C-J爆速;Q為爆熱。

1.2 組合裝藥爆轟波形掃描試驗

由于組合裝藥爆轟過程中，其波形演變至穩(wěn)態(tài)需要較長的距離，這不僅與兩種炸藥的爆速差有關，還受結構尺寸等因素的影響，因此，本試驗中主要分析特定長徑比組合裝藥的波形特征。鑒于很多殺爆戰(zhàn)斗部裝藥的長徑比近似為2，故在試驗中選用一節(jié)Φ50mm×100mm的藥柱作為試驗主裝藥，并通過SJZ-15型轉鏡式高速掃描相機獲得藥柱尾部端面的爆轟波形，實驗布局如圖1所示。

為了盡可能地反映組合裝藥爆轟波形的演變過程，在待測藥柱的起爆端粘接一個Φ50mm的平面透鏡，使得內(nèi)外層裝藥的起始波形相同。同時，將待測裝藥固定于木制支架的“V”形槽內(nèi)，以減小邊界約束條件對爆轟波形的影響。掃描爆轟波形時，相機的光學狹縫通過高清晰反射鏡對準主裝藥柱端面的直徑，相機轉速設定為1.2×105r/min，其對應的掃描速度為6mm/μs。此外，采用一組電探針測量外層裝藥的爆速，其中，第一根探針置于主裝藥與平面透鏡之間，第二根探針的兩級呈分離平行狀，置于主裝藥另一端，則可記錄爆轟波到達端面的最短時間。

1.3 圓筒試驗

圓筒試驗裝置由待測主裝藥、傳爆藥柱、銅管、電探針、氬氣彈、反射鏡、GSJ高速轉鏡相機和高壓雷管等組成，如圖2所示。其中，銅管的材料為TU1無氧銅，密度為8.93g/cm3，內(nèi)、外直徑分別為50和60.2mm；狹縫掃描位置距圓筒尾端約200mm，相機掃描速度設定為1.5mm/μs；采用氬氣彈作為照明裝置；通過固定于圓筒兩端的電探針測定炸藥的爆速，對于組合裝藥，則采用兩組探針分別測量內(nèi)、外層裝藥的爆速，其中，內(nèi)層裝藥的探針粘貼于裝藥截面的中心，外層裝藥的探針粘貼于截面邊緣處，以便與爆轟波形掃描試驗結果進行對比。

2 結果與討論

2.1 波形掃描試驗結果及分析

圖3為組合裝藥爆轟波形掃描試驗底片，結合圖像放大比及相機的掃描速度可獲得其具體曲線數(shù)值，由于該曲線反映了爆轟波通過裝藥直徑處的波形，且沿裝藥軸向的對稱性較好，因此，可僅顯示沿裝藥半徑R的波形曲線，如圖4所示。圖4中所設的零時刻點為爆轟波最早到達藥柱端面的時刻，該位置處于外層裝藥的中部區(qū)域。

從圖4中可以看出，根據(jù)該組合裝藥的爆轟波陣面形狀特征可將其分為3個區(qū)域。區(qū)域Ⅰ為外層裝藥(17.5mm

由圖5可以看出，區(qū)域Ⅰ中的爆轟波陣面形狀曲率κ>0，其拐點約位于R≈21.4mm處(即外層裝藥壁面中心附近)，該處法向爆速與裝藥軸向平行，其數(shù)值為8.52mm/μs，小于DOL炸藥的穩(wěn)態(tài)爆速，這主要由于該區(qū)域外側受到空氣側向稀疏波影響，內(nèi)側受到阻抗偏低的內(nèi)層裝藥的影響；此外，該區(qū)域的波形關于拐點并不對稱。對于內(nèi)層裝藥，由于受外側裝藥影響，產(chǎn)生了不同程度的超壓爆轟，其波陣面?zhèn)鞑ニ俣燃安嚸鎵毫Ψ謩e高于DRLU炸藥的穩(wěn)態(tài)爆速及爆壓，且法向速度Dn略向裝藥中心處匯聚(波形曲率κ<0)，其中，區(qū)域Ⅱ中的Dn與裝藥軸向的夾角θ≈35°，而在區(qū)域Ⅲ中，該夾角明顯減小。

爆轟波形對于爆轟反應區(qū)能量的釋放具有重要影響[9]。外層裝藥爆轟波形的散心特征不明顯，可忽略，但內(nèi)層裝藥爆轟波形聚心特征(κ<0)非常顯著，將導致化學反應在聲速面之前就已結束(如圖6所示)，表明爆轟反應區(qū)內(nèi)的能量釋放速率加快，且其高壓環(huán)境對于含鋁炸藥中鋁粉及爆轟產(chǎn)物的進一步反應可能是有益的；此外，從整體裝藥的波形上看，其內(nèi)聚趨勢對于內(nèi)外層裝藥中爆轟產(chǎn)物及鋁粉的進一步均勻混合也是有利的。由于這兩個能量釋放階段在宏觀的爆炸試驗中往往難以確定其明顯的界限，因此，可結合精度較高的圓筒試驗獲取驅動作功及產(chǎn)物壓力的變化歷程，從而進一步分析該組合裝藥能量釋放速率等特征的變化。

在優(yōu)化鑄造系統(tǒng)之后，再次進行模擬．優(yōu)化前后鑄件的最終收縮率如圖7所示．從圖7可以看出，優(yōu)化后原始圓圈中的缺陷基本消除，上面圓圈內(nèi)鑄件的最大缺陷也從原來的0.635 cm3減小到0.478 cm3．

2.2 組合裝藥與單一裝藥驅動性能對比

2.2.1 圓筒試驗結果

組合裝藥的探針測量顯示裝藥尾端的內(nèi)外層探針導通時間間隔為0.89μs，而圖4中顯示爆轟波到達這兩處的時間間隔為1.02μs，說明經(jīng)過較長距離的演變，圓筒內(nèi)組合裝藥爆轟波形已基本穩(wěn)定，內(nèi)層裝藥爆轟波陣面的傳播速度與外層裝藥的差距可能較小；結合裝藥的長度，可計算出外層裝藥的平均爆速約為8.61mm/μs，明顯高于圖5中顯示的8.52mm/μs，這可能是由于圓筒壁向裝藥中反射的沖擊波一定程度上提升了外層裝藥的爆速。

圖7為實驗所獲得的典型掃描底片。通過對圖7所示底片進行數(shù)字化判讀，并結合相機的掃描速度及底片的放大比，得出圓筒壁外表面的膨脹距離Δre隨時間變化的一系列數(shù)據(jù)點，其數(shù)據(jù)處理采用文獻[10]中的方法。該方法首先假定圓筒壁膨脹過程中，其橫截面積保持不變，并設定了一個圓筒壁質量中心面，其半徑為rm，則存在以下關系：

(1)

(2)

然后按照公式(3)對試驗數(shù)據(jù)進行擬合：

(3)

式中：aj、bj均為擬合參數(shù)；t0作為時間項的修正參數(shù)，當t+t0=0時，圓筒壁的質量中心面開始膨脹。試驗曲線擬合參數(shù)的具體值列于表2中，為了便于對比，還列出了單一裝藥的參數(shù)。

表2 圓筒壁膨脹位移曲線擬合參數(shù)Table 2 Curve-fitting parameters of the expansion displacement of the cylinder wall

2.2.2 圓筒壁比動能的對比

將公式(3)對時間求導，可得到圓筒壁質量中心面的徑向速度um的表達式：

(4)

us=2D·sin(arctan(um/D)/2)

(5)

式中：D為炸藥在圓筒內(nèi)的爆速。由此可計算出圓筒的比動能：

(6)

圖8顯示了圓筒壁比動能隨時間及爆轟產(chǎn)物相對比容V的變化曲線，其中，V=(ri/ri0)2。

從圖8中可以看出，無論基于同一反應時間還是基于同一相對比容進行對比，該組合裝藥的圓筒比動能雖然低于兩種單一裝藥的平均值，但其增長趨勢與DOL炸藥較為相似，這一點可依據(jù)爆轟產(chǎn)物特定相對比容處的比動能數(shù)據(jù)進行更為詳細的對比(如表3所示)。V=2.2、4.4、7.0時可以反映爆轟產(chǎn)物的高壓、中壓和低壓作用階段的特征，甚至V=10時還可以進一步反映鋁粉的后續(xù)反應是否能貢獻金屬的驅動。據(jù)表3中可以算出，V=2.2時，該組合裝藥的圓筒比動能較DOL和DRLU兩種單一裝藥的平均值低0.095kJ/g，但在V=4.4、7.0、10.0時，均約相差0.06kJ/g。這表明該組合裝藥所具有的聚心波形雖然使得內(nèi)層裝藥爆轟反應區(qū)的能量釋放速率加快，但也壓縮了反應區(qū)寬度，加快了追趕稀疏波的速度，導致爆轟產(chǎn)物高壓階段轉換的總動能有所降低；此外，整體波形的內(nèi)聚趨勢促進了內(nèi)外層裝藥中爆轟產(chǎn)物及鋁粉的均勻混合，一定程度上提高了二次反應的能量釋放速率，使得在產(chǎn)物膨脹的中后期，圓筒的比動能有所提高，但仍然低于兩種單一裝藥的平均值，這與文獻[8]中的結論相反。文獻[8]中所用的兩種炸藥的穩(wěn)態(tài)爆速僅相差0.45mm/μs，而本研究中所用的兩種炸藥穩(wěn)態(tài)爆速相差1.8mm/μs，內(nèi)層裝藥的爆轟波陣面速度提升幅度將更大，從而可能對反應區(qū)寬度及能量釋放過程的影響更為明顯，但此問題還需要后續(xù)進一步深入研究。

表3 特定相對比容處的比動能Table 3 Specific kinetic energy at given relative volumes

2.2.3 爆轟產(chǎn)物p-V曲線的對比

圓筒壁比動能的變化屬于驅動能量的積累效應，為了更進一步對比兩種裝藥的能量釋放過程，還可分析爆轟產(chǎn)物壓力隨相對比容的變化關系，即爆轟產(chǎn)物p-V曲線，該曲線也是分析爆轟產(chǎn)物作功特性的重要數(shù)據(jù)。由于無氧銅具有較好的延展性，一般V>10以后殼體才會完全破裂，因此，可獲得較為完整的p-V曲線。這里首先采用文獻[11]中的圓筒膨脹動力學模型，以獲得爆轟產(chǎn)物壓力與圓筒的徑向膨脹位移、材料的動態(tài)屈服強度之間的關系：

(7)

式中：ρ為無氧銅的密度，取8.93g/cm3；σds為無氧銅的動態(tài)屈服強度，取175MPa[12]。

然后結合公式(3)和(4)，則可獲得p-t曲線，再由爆轟產(chǎn)物相對比容的計算式可獲得V-t曲線，從而最終獲得爆轟產(chǎn)物的p-V曲線。

圖9列出了該組合裝藥與DOL和DRLU兩種單一裝藥的p-V曲線對比圖。

從圖9可以看出，在爆轟產(chǎn)物膨脹早期，組合裝藥爆轟產(chǎn)物的壓力低于DOL單一裝藥，但高于DRLU單一裝藥；隨著爆轟產(chǎn)物相對比容的增大，這一差距逐漸縮小，當V≈1.95時，組合裝藥爆轟產(chǎn)物的壓力開始超過DOL單一裝藥，此時產(chǎn)物的壓力為1.56GPa；當V≈3.07時，組合裝藥爆轟產(chǎn)物的壓力開始低于DRLU單一裝藥，此時產(chǎn)物的壓力為0.62GPa。對于一般殺爆戰(zhàn)斗部而言，V≈1.95或3.07時刻仍處于殼體/破片加速階段[13]，這也意味著，在相同戰(zhàn)斗部中，當殼體破裂后，爆轟產(chǎn)物作用于空氣產(chǎn)生沖擊波時，該組合裝藥的沖擊波超壓將會高于DOL單一裝藥，但低于DRLU單一裝藥。結合比動能的數(shù)據(jù)可看出，該組合裝藥仍具有兼顧破片殺傷性能及爆破性能的優(yōu)勢。

3 結 論

(1)對于外層采用高爆速炸藥、內(nèi)層采用高爆熱炸藥的同軸雙元組合裝藥，其爆轟波形整體上具有內(nèi)聚趨勢，雖然大幅提升了內(nèi)層高爆熱裝藥爆轟波陣面的傳播速度，但可能會縮小反應區(qū)寬度。

(2)對于該同軸雙元裝藥，Φ50mm圓筒試驗結果表明，圓筒比動能在產(chǎn)物膨脹早期比兩種單一裝藥的平均值低0.095kJ/g，在產(chǎn)物膨脹的中后期，仍偏低0.06kJ/g；而該組合裝藥爆轟產(chǎn)物的壓力雖然早期介于兩種單一裝藥之間，但相對比容增至1.95時，壓力便明顯超越高爆速單一裝藥，相對比容增至3.07時，壓力僅略低于高爆熱單一裝藥。由此可以發(fā)現(xiàn)，在戰(zhàn)斗部應用中，該組合裝藥有望在適當降低金屬驅動能量的前提下有效提升沖擊波能。